Innovativer Nachschneidering zur Reduzierung der Mantelreibung

LÜBECK, 22.07.2019 – Folgende Untersuchung befasst sich mit der Problematik des halboffenen Rohrvortriebs am Beispiel eines Bauprojekts in Halle (Saale) sowie dem gefundenen Lösungsansatz eines innovativen Nachschneiderings. Mit diesem kann sowohl bei oberflächennahen als auch tieferliegenden Rohrvortrieben die Mantelreibung deutlich reduziert werden.

Von Miriam Zitzmann, M.Eng., Dipl.-Ing. Tim Babendererde und Prof. Dr.-Ing. Jan Lüking*

Abb. 1: Lageplan Haltung 1 (HWS001b) in Halle (Saale) [3]
Abb. 1: Lageplan Haltung 1 (HWS001b) in Halle (Saale) [3]

Beim Rohrvortriebsverfahren die Vortriebsrohre werden sukzessive vom Startschacht aus mit den Hauptpressen vorgepresst. Für besonders oberflächennahe Vortriebe ist die halboffene Bauweise eine weitere Option. Hierbei wird ein schmaler Rohrgraben in der Vortriebstrasse ausgeführt. Ein Bagger arbeitet vor Kopf und entnimmt das anfallende Material aus einem im First geöffneten Schneidschuh. Der verbaute Rohrgraben hat in der Regel ein Maß zwischen 1,30 m bis 1,60 m.
Gemäß [1] liegen die Vorteile der halboffenen Bauweise in der Reduzierung des Flächenbedarfs, des Straßenaufbruchs, der Erdarbeiten, der Wasserhaltung und der verbesserten Bettung des neuen Kanals. Es können somit Herstellungskosten eingespart werden. Eine Förderung des Bodens durch den Rohrstrang entfällt und ist als Vorteil gegenüber des klassischen Rohrvortriebs zu sehen. Vortriebsleistungen von 35-90 m/Tag sind möglich [1]. Das Eintreten von Grundwasser in den Rohrstrang wird durch eine Schottenwand hinter dem Schneidschuh verhindert. Das Verfahren eignet sich deshalb auch zum Einsatz bei oberflächennahem Grundwasser.
Basierend auf einem Schadensfall im Rahmen eines (halboffenen) Rohrvortriebs bei einer Baumaßnahme in Halle (Saale) wurde ein innovativer Nachschneidering entwickelt und erfolgreich eingesetzt. Die Funktionsweise ist anwendungsbezogen untersucht worden und wird im Folgenden vorgestellt.

Mantelreibung

Die Kenntnis der zu erwartenden Kräfte und Drücke im Rohrvortrieb dient im Allgemeinen der Dimensionierung der zu installierenden Pressenkraft sowie der Wahl der Dehner-Abstände. Die Pressenkräfte müssen sowohl die am Rohrmantel wirkende Reibung und den Schneidenwiderstand an der Ortsbrust überwinden als auch ggf. den Stützdruck zur Sicherung der Ortsbrust aufnehmen. Die Mantelreibung am Rohrstrang ist das Produkt aus radial wirkender Belastung und dem Reibungsbeiwert. Durch einen geringfügigen Überschnitt am Maschinenrohr entsteht an den Nachlaufrohren ein Ringspalt.
Ein mit Bentonitsuspension gefüllter Ringspalt kann zur Reduktion der Mantelreibung beitragen, indem der umliegende Boden gestützt und der Rohrstrang geschmiert wird. Dabei sind die rheologischen Eigenschaften der Suspension wie Viskosität, Stabilität und Fließgrenze auf die Anforderungen des Baugrunds abzustimmen. Von besonderer Bedeutung ist die Ausbildung eines Filterkuchens, der das Abfließen der Suspension in den umliegenden Baugrund begrenzt [2].

Abb. 2: Detail der Rohrfügung mit Ringraumblech
Abb. 2: Detail der Rohrfügung mit Ringraumblech

Nachschneideringe eingesetzt

Im Zuge des Bauvorhabens Ersatzneubau Hauptwassersammler in Halle (Saale), siehe Abb. 1, kam es beim Einbau von Stahlbetonrohren DN 3000 in der halboffenen Bauweise zu Vortriebsschwierigkeiten. Zu große Auslenkungen und überhöhte Pressenkräfte führten nach 280 m zum Stillstand der Vortriebsarbeiten. Für den weiteren Vortrieb wurden Nachschneideringe entlang des Rohrstrangs angeordnet und weitere Bentonitstutzen in den Bentonitrohren installiert. Zudem wurde der schmale Rohrgraben nach dem Unterfahren mit der Vortriebsmaschine direkt verfüllt und verdichtet.
Nach [3] und [4] sind die Bodenverhältnisse bei diesem Rohrvortrieb geprägt von:

  • Oberflächenbefestigungen und Auffüllungen von schwankender Schichtdicke über
  • lehmigen bzw. sandig-lehmigen Deckschichten (Tallehme und lehmige Talsande) und
  • 5 m bis mehr als 10 m mächtigen, kiesig-sandigen Terrassenkiesablagerungen.

Funktionsweise des Nachschneiderings

Die Theorie des Nachschneiderings basiert darauf, ähnliche Rahmenbedingungen wie bei einem klassischen Rohrvortrieb zu schaffen und einen kontinuierlichen Ringspalt herzustellen, sodass eine ausreichende Bentonitschmierung die Mantelreibungskräfte in beherrschbaren Größen halten kann.
Bei den weiteren Bauarbeiten für die nachfolgenden Haltungen des Hauptsammlers DN 3000 wurde der schmale Rohrgraben direkt nach dem Unterfahren mit dem Schneidschuh und Maschinenrohr wieder verfüllt und verdichtet. Der Nachschneidering gemäß [7] dient der Wiederherstellung eines Ringspalts und muss den Boden erneut aufschneiden bzw. verdrängen. Der Ringraum wird beim Vorpressvorgang mit dem keilförmigen Nachschneidering wiederhergestellt bzw. aufgefrischt, sodass Bentonit injiziert werden kann. Man spricht von der sekundären Kopfschmierung (beim ersten Nachschneidering direkt hinter der Maschine) oder Tertiärschmierung bei den weiteren Nachschneide- und Injektionspositionen. Der Bentonitaustritt unterhalb der Stahlmanschette (siehe Abb. 2) begünstigt eine umlaufende Bentonitverteilung.
Der Nachschneidering wird bauseits auf die Stahlmanschette des letzten Normalrohrs vor einem Bentonit-Rohr aufgeschweißt. Der Einbau erfolgt von der Startbaugrube aus. Die Anordnung der Rohre mit zusätzlichem Ringraumblech sowie die speziellen Nachläuferrohre mit sechs zusätzlichen Bentonitventilen werden im Rohrfolgeplan festgelegt. Die modifizierten Rohre werden wie die üblichen Vortriebsrohre vorgepresst. In Abb. 3 sind die entsprechenden Details dargestellt.

Abb. 3: Rohrfügung mit aufgeschweißter Abreißkante (Echterhoff Bau GmbH)
Abb. 3: Rohrfügung mit aufgeschweißter
Abreißkante (Echterhoff Bau GmbH)

Methode

Um die Wirksamkeit des Nachschneidrings näher zu untersuchen, wurde mit theoretischen Berechnungsansätzen die erforderliche Vortriebskraft für unterschiedliche Erddruck- und Schmierungsverhältnisse in der geschlossenen und halboffenen Bauweise erarbeitet. Damit realistische Haupt- und Zwischenpressenkräfte nachvollzogen werden können, wurde zunächst der Schneidenwiderstand nach Herzog [5] am Haubenschild ermittelt. Dieser Widerstand von rund 2.240 kN ist jeweils von der vordersten Presse aufzubringen und muss ggf. für die rückwärtigen Dehner- oder Hauptpressen(-kräfte) nicht angesetzt werden. Die Mantelreibung wurde basierend auf der radialen Spannung σr am Rohrmantel und dem vorherrschenden Reibungsbeiwert μ auf Grundlage von [6] berechnet.
Es wurden vier maßgebliche Bodenprofile untersucht, wobei die Überdeckung der Vortriebsrohre zwischen 0,85 m und 3,60 m betrug. Dabei verdeutlichte der Vergleich der Berechnungsansätze untereinander, dass die Vorpresskraft aus Mantelreibung mit dem Reibungsbeiwert, dem seitlichen Erddruck und der vertikalen Erdlast zunimmt.
Aus den Vortriebsprotokollen können unter anderem die gemessenen Vortriebskräfte, die Tunnellänge und die Zeit gewonnen werden. In Verbindung mit den Rohrfolgeplänen sind Rückschlüsse auf die tatsächlich vorherrschenden Erddruckverhältnisse und den Umfang der Schmierung am Rohrmantel möglich.

Die Auswertung erfolgt anhand der geraden Vortriebsstrecke (HWS001b I+II), wodurch seitliche Zwängungen durch Kurvenfahrten überwiegend vernachlässigbar sind.
Ein Vergleich zwischen den theoretischen und den in der Praxis gemessenen Vortriebskräften zeigte, dass auf den ersten 280 Vortriebsmetern die Reibung an Firste und Kämpfer erhöht war, was zum Anstieg der Vorpresskräfte führte. Abb. 4 verdeutlicht den Zusammenhang. Auf der Abszisse sind die Berechnungsansätze D1 bis F2 aufgetragen, welche sich hinsichtlich des seitlichen Erddruckbeiwerts (K2 = 0,37; 0,47; 0,75) unterscheiden. Je stärker der theoretische, seitliche Erddruck, desto höher der Beiwert K2. Vor Anwendung des Nachschneiderings ist der Rohrgraben auf der gesamten Vortriebslänge geöffnet, sodass die vertikal auf den Rohrstrang wirkende Erdlast um 45% reduziert ist. Dies entspricht dem Verhältnis zwischen der Rohrgrabenbreite und dem Außendurchmesser des Vortriebsrohrs. Die theoretische Schmierung und der damit verbundene Reibungsbeiwert μ an Kämpfer, Sohle und Firste werden variiert: x = keine Schmierung (μ = 0,4); o = Schmierung (μ = 0,2). Diese zehn Berechnungsansätze werden mit der gemessenen Vortriebskraft der Zwischenpressstation verglichen.

Rechnerische Ermittlung der Vorpresskraft für unterschiedliche Berechnungsansätze und Vergleich mit den Messwerten
Abb. 4: Rechnerische Ermittlung der Vorpresskraft für unterschiedliche Berechnungsansätze und Vergleich mit den Messwerten am Dehner 2 mit Berücksichtigung der Mantelreibung und Schneidenwiderstand

Im Gegensatz dazu konnten die Vortriebskräfte unter Anwendung des Nachschneiderings in der nachfolgenden Haltung in beherrschbaren Größen gehalten werden. Verdeutlicht wird dies anhand der Abb. 5. Die gemessene Vortriebskraft korreliert mit den theoretischen Widerständen, welche bei umlaufender Schmierung möglich sind. Der Rückbau des schmalen Rohrgrabens erfolgt während einer Stillstandszeit, sodass kein zusätzlicher Verdichtungserddruck während der Vortriebsarbeiten herrscht. Die Wichte des Verfüllguts ist näherungsweise unverändert, da verdichtungsfähiger Bodenaushub nach Möglichkeit wieder eingebaut wurde. Die Mantelreibungskraft wird in den Berechnungsansätzen G1 bis H4 gemäß der ursprünglichen Bodenschichtung und vollflächiger Auflast ermittelt. Im betreffenden Vortriebsabschnitt wurde ein zusätzlicher Widerstand von 941 kN durch die zwei ergänzten Nachschneideringe berücksichtigt. Ansonsten erfolgt die Berechnung analog zur Anwendung ohne Nachschneideringe.

Ergebnis:

Grundsätzlich trägt die Rohrverlegung im halboffenen Bauverfahren zu einer Reduktion der Mantelreibung bei, indem die Bodenauflast auf das Vortriebsrohr reduziert und infolgedessen die radiale Spannung auf das Rohr vermindert wird. Die Berechnungen zeigen allerdings, dass durch die Oberflächennähe die Belastung aus Verkehr einen großen Einfluss auf die Beständigkeit des Ringspalts haben kann. Der Vergleich der theoretischen und praktischen Vortriebskräfte ergab, dass die Reibung auf Höhe der Firste bis hin zum Kämpfer in der ersten Haltung erhöht war. Plausibel erscheint, dass der Ringspalt durch Bodenverschiebungen nicht mehr ausgeprägt war und das Bentonit sich nicht umlaufend verteilen konnte. Druckunterschiede sind als Ursache für die genannten Lageabweichungen denkbar.

Abb. 5: Rechnerische Ermittlung der Vorpresskraft für unterschiedliche Berechnungsansätze und Vergleich mit den Messwerten am Dehner 2 mit Berücksichtigung der Mantelreibung, Schneidenwiderstand und zwei Nachschneideringen.
Abb. 5: Rechnerische Ermittlung der Vorpresskraft für unterschiedliche Berechnungsansätze und Vergleich mit den Messwerten am Dehner 2 mit Berücksichtigung der Mantelreibung, Schneidenwiderstand und zwei Nachschneideringen.

Die Anwendung des Nachschneiderings ermöglichte es nach Überarbeitung des Verfahrens, den durch Verkehrslasten und unzureichende Bentonitschmierung zerstörten Ringspalt zu erneuern. Insbesondere in Bereichen mit größerer Überdeckungshöhe waren lange Vortriebsstrecken bis über 200 m mit der Hauptpressenkraft zu bewältigen. Die Mantelreibung konnte auf einen Bruchteil der erwarteten Größe reduziert werden.
Die Wirksamkeit des Nachschneiderings konnte bestätigt werden. Das Ergebnis gilt für die Anwendung des Ringraumblechs in Kombination mit direktem Rückbau des Baugrabens nach dem Unterfahren und der Verwendung zusätzlicher Bentonit-Stutzen in den Bentonitrohren zur umfassenden Schmierung.

Diskussion und Ausblick

Eine Anwendung des Nachschneiderings scheint nur dann sinnvoll, wenn die Mantelreibung deutlich stärker reduziert werden kann als die zusätzlichen Widerstände infolge des Nachschneidens.
Im Allgemeinen stellt der Nachschneidering eine geeignete Lösung zur Mantelreibungsreduktion bei oberflächennahen und halboffenen Rohrvortrieben dar. Der Stand der Technik zur Vermeidung von zu hohen Vorpresskräften liegt derzeit in der suspensionsbasierten Schmierung und Stützung des Ringspalts und dem Einsatz von Zwischenpressstationen, welche die Vorpresslänge reduzieren. Ist die Stabilität des Ringspalts gefährdet oder nachweislich nicht gegeben, kann dieser durch einen Nachschneidering nachträglich erzeugt oder aufgefrischt werden. Dies steigert die Wirtschaftlichkeit und dehnt die Anwendungsgrenzen des Rohrvortriebs und der halboffenen Bauweise. Infolgedessen gewinnen diese Verfahren vor allem im innerstädtischen Bereich weiter an Attraktivität gegenüber der offenen Bauweise.


*Autoren:
Miriam Zitzmann, M.Eng., Absolventin Technische Hochschule Lübeck
Dipl.-Ing. Tim Babendererde, BabEng GmbH, Lübeck, tb@babeng.com
Prof. Dr.-Ing. Jan Lüking, Technische Hochschule Lübeck, Fachbereich Bauwesen, jan.lueking@th-luebeck.de


Literatur:
[1] Schad, H.; Bräutigam, T.; Bramm, S. (2003): Rohrvortrieb. Durchpressungen begehbarer Leitungen. Berlin: Ernst (Bauingenieur-Praxis).
[2] Praetorius, S.; Schößer, B. (2016): Bentonithandbuch. Ringspaltschmierung für den Rohrvortrieb (Bauingenieur-Praxis).
[3] ARGE Ersatzneubau HS Brachwitzer Straße (2016): Lageplan. Schadensbedingter Ersatzneubau Hauptsammlerabschnitt Brachwitzer Straße, Halle. HWS001a und HWS001b, unveröffentlicht.
[4] analytec Dr. Steinhau GmbH (2015): Tunnelbautechnisches Gutachten. Bauvorhaben: Ersatzneubau Hauptsammlerabschnitt Brachwitzer Straße in Halle (Saale), HWS001a und HWS001b, unveröffentlicht.
[5] Herzog, M. (1985): Die Pressenkräfte bei Schildvortrieb und Rohrvorpressung im Lockergestein. In: Baumaschine + Bautechnik 32, S. 236–238.
[6] Girmscheid, G. (2013): Bauprozesse und Bauverfahren des Tunnelbaus. 3. Auflage. Berlin: Ernst, Wilhelm & Sohn.
[7] Babendererde, T. (2017): Empfehlung zur Installation zusätzlicher Schmierkomponenten, BabEng GmbH, Technischer Bericht, unveröffentlicht.

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